فونون های مارپیچ ماده پارامغناطیس را به آهنربا تبدیل می کنند - دنیای فیزیک

هنگامی که شبکه اتمی یک ماده به ارتعاش در می آید، شبه ذرات معروف به فونون یا امواج صوتی کوانتیزه تولید می کند. در برخی از مواد، ارتعاش شبکه در یک الگوی چوب پنبه‌باز، این فونون‌ها را کایرال می‌کند، به این معنی که آنها «دستی» ارتعاشی را به خود می‌گیرند که آنها را ایجاد کرده است. اکنون، محققان دانشگاه رایس در ایالات متحده دریافته‌اند که این فونون‌های کایرال تأثیر بیشتری دارند: می‌توانند مواد را مغناطیسی کنند. این یافته می تواند برای القای خواصی استفاده شود که یافتن آنها در مواد طبیعی دشوار است.

یکی از این ویژگی‌هایی که به سختی می‌توان یافت، مربوط به نقض تقارن برگشت زمانی الکترون‌ها است. در اصل، تقارن معکوس زمانی نشان می‌دهد که الکترون‌ها باید بدون توجه به اینکه در یک ماده به سمت جلو یا عقب حرکت می‌کنند، یکسان رفتار کنند. رایج ترین راه برای نقض این تقارن، قرار دادن مواد در یک میدان مغناطیسی است، اما برای برخی از کاربردهای احتمالی، این عملی نیست.

پیش از این، تصور بر این بود که اتم ها در شبکه بلوری خود بسیار کم و آهسته حرکت می کنند تا بر تقارن معکوس زمانی الکترون ها تأثیر بگذارند. با این حال، در کار جدید، یک تیم رایس به رهبری هانیو ژو دریافتند که وقتی اتم‌ها حول موقعیت‌های متوسط ​​خود در شبکه با سرعتی در حدود 10 تریلیون دور در ثانیه می‌چرخند، ارتعاشات مارپیچی شکل حاصل - فونون‌های کایرال - تقارن برگشت زمانی الکترون‌ها را می‌شکنند و جهت زمانی ترجیحی به آنها می‌دهند.

یکی از اعضای تیم توضیح می‌دهد: «هر الکترون دارای یک اسپین مغناطیسی است که مانند یک سوزن قطب‌نمای کوچک که در ماده جاسازی شده عمل می‌کند و به میدان مغناطیسی محلی واکنش نشان می‌دهد». بوریس یاکوبسون. کایرالیتی - که به دلیل روشی که در آن دست چپ و راست یکدیگر را منعکس می‌کنند بدون اینکه روی هم قرار گیرند، دستی نامیده می‌شود - نباید بر انرژی اسپین الکترون‌ها تأثیر بگذارد. اما در این مثال، حرکت کایرال شبکه اتمی، اسپین‌های درون ماده را قطبی می‌کند که گویی یک میدان مغناطیسی بزرگ اعمال شده است.

ژو می افزاید که قدر این میدان مغناطیسی موثر حدود 1 تسلا است که آن را با میدان مغناطیسی که قوی ترین آهنرباهای دائمی تولید می کنند قابل مقایسه می کند.

هدایت حرکت شبکه ای از اتم ها

محققان از یک میدان الکتریکی دوار برای هدایت حرکت شبکه ای از اتم ها در یک الگوی مارپیچی استفاده کردند. آنها این کار را در ماده ای به نام فلوراید سریم، یک تری هالید خاکی کمیاب که به طور طبیعی پارامغناطیس است، انجام دادند، به این معنی که اسپین های الکترون های آن به طور معمول به طور تصادفی جهت گیری می کنند. آنها سپس چرخش الکترونیکی در ماده را با استفاده از یک پالس نوری کوتاه به عنوان یک کاوشگر کنترل کردند و پس از اعمال میدان الکتریکی، نور را به سمت نمونه با تأخیرهای زمانی متفاوت پرتاب کردند. قطبش نور پروب با توجه به جهت چرخش تغییر می کند.

ژو توضیح می‌دهد: «ما دریافتیم که وقتی میدان الکتریکی از بین رفت، اتم‌ها به چرخش خود ادامه دادند و چرخش الکترونیکی برای همسو شدن با جهت چرخشی اتم‌ها ادامه داد. با استفاده از سرعت چرخش الکترون‌ها، می‌توانیم میدان مغناطیسی مؤثری را که آنها تجربه می‌کنند به عنوان تابعی از زمان محاسبه کنیم.

ژو می گوید که میدان محاسبه شده با آنچه از مدل های حرکت اتمی رانده شده و جفت اسپین فونون این تیم انتظار می رود مطابقت دارد. دنیای فیزیک. این کوپلینگ در کاربردهایی مانند نوشتن اطلاعات بر روی هارد دیسک مهم است.

محققان تکانه زاویه ای «از دست رفته» را پیدا کردند

ژو می گوید، علاوه بر پرتاب نور جدید بر جفت شدن اسپین فونون، که هنوز در هالیدهای خاکی کمیاب به طور کامل شناخته نشده است، این یافته ها می تواند دانشمندان را قادر به توسعه موادی کند که می توانند توسط میدان های خارجی دیگر مانند نور یا نوسانات کوانتومی مهندسی شوند. او توضیح می‌دهد: «من از زمانی که پس از دکترای خود در دانشگاه برکلی، زمانی که اولین آزمایش‌های زمان‌بندی شده برای تأیید چرخش اتم‌ها در مواد دو بعدی را انجام دادیم، به این امکان فکر می‌کردم. چنین حالت‌های چرخشی فونون کایرال چند سال پیش پیش‌بینی شده بود و از آن زمان من مدام فکر می‌کردم: آیا می‌توان از حرکت کایرال برای کنترل مواد الکترونیکی استفاده کرد؟

در حال حاضر، زو تاکید می کند که کاربردهای اصلی کار در تحقیقات بنیادی نهفته است. با این حال، او می‌افزاید که «در درازمدت، با کمک مطالعات نظری، ممکن است بتوانیم از چرخش اتمی به‌عنوان یک «شستی تنظیم» برای بهبود ویژگی‌هایی استفاده کنیم که زمان معکوس را می‌شکنند و به ندرت در مواد طبیعی مانند ابررسانایی توپولوژیکی یافت می‌شوند.» .

محققان برنج، که جزئیات کار حاضر خود را در علم، اکنون امیدواریم که روش خود را برای کشف مواد دیگر و جستجوی خواص فراتر از مغناطش کردن به کار ببرند.

• محتوای مبتنی بر SEO و توزیع روابط عمومی. امروز تقویت شوید.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. به خودت قدرت بده دسترسی به اینجا.
• PlatoAiStream. هوش وب 3 دانش تقویت شده دسترسی به اینجا.
• PlatoESG. کربن ، CleanTech، انرژی، محیط، خورشیدی، مدیریت پسماند دسترسی به اینجا.
• PlatoHealth. هوش بیوتکنولوژی و آزمایشات بالینی. دسترسی به اینجا.
• منبع: https://physicsworld.com/a/spiralling-phonons-turn-a-paramagnetic-material-into-a-magnet/